一种化学胶结类防塌剂防塌效果的评价方法

李蕾，郭保雨，王旭东，邱正松，王俊，杨龙波

（1.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000；2.中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

0 引言

泥页岩井壁失稳问题一直是钻井过程中的一个世界性难题[1-3]，采用加入防塌剂的防塌钻井液体系能够有效抑制泥页岩水化膨胀和分散，实现井壁稳定。防塌剂的种类很多，按照其化学组成分类主要有无机盐类、聚合物类、褐煤类、沥青类、树脂类、油类等；按照其作用方式和机理可分为2 类，分别是抑制封堵类和化学胶结类，其中抑制封堵类可降低水化学势差，增大流体从井眼向地层的阻力；化学胶结类可提高地层岩石颗粒之间的聚合力、增强岩石自身强度，使井壁在水浸作用下不易分散[4-6]。由于化学胶结类防塌剂的固结性能，因此，国内外把含有该类防塌剂的高性能水基钻井液作为能够代替油基钻井液的理想体系[7]。

防塌剂的评价方法应依据其防塌机理，以使得防塌剂在评价时具有科学性和可比性[4-6]。目前常用的防塌性能评价方法，如：页岩分散实验、泥页岩膨胀实验、毛细管吸吮、黏度抑制率、比亲水量测试等评价方法可测试抑制类防塌剂的防塌性能[8-10]；失水评价、泥饼质量、渗透性砂床封堵实验、压力传递、单向封闭等评价方法可测试封堵类防塌剂的防塌性能[11-14]。但上述评价方法都存在一定的局限性，且对于化学胶结类防塌剂的“主动加固”和“胶结、固化”的作用特性和防塌机理缺乏针对性，因此，笔者结合胶黏剂学科相关技术及评价标准[15-16]，引入搭接抗剪强度（拉伸剪切强度）测试来评价钻井液作用于界面之间的胶结强度，提出了一种针对化学胶结类防塌剂的“胶结、固化”性能评价方法，为科学评价化学胶结类防塌剂的防塌效果提供指导和依据。

1 化学胶结类防塌剂的防塌机理

化学胶结类防塌剂与抑制封堵类防塌剂的不同在于，当它与井壁接触后，其分子结构中独特的吸附基团可与岩石表面的金属离子发生螯合作用，能够快速牢固吸附在井壁岩石颗粒表面，从而胶结岩石颗粒，在岩石表面形成具有较强内聚力和黏附性的固化硬壳，胶结破碎地层，封堵地层裂隙，可提高近井壁岩石自身的强度以及力学稳定性，实现随钻加固井壁岩石。

2 化学胶结类防塌剂固壁性能评价方法

将化学胶结类防塌剂按照需要配制成一定浓度溶液，均匀涂抹在制备试样搭接区域，在一定压力条件下压制一段时间后，采用拉伸剪切强度测试防塌剂在试样表面的胶结性能，即在平行于黏接面且在试样主轴方向上施加一拉伸力，测试材料单搭接黏接处的剪切应力，该剪切应力即为在该化学胶结类防塌剂作用下测试试样界面间的胶结强度。

2.1 实验所需仪器[15-16]

三轴力学试验机：使用的试验机应能使试样的破坏负荷在满标负荷的15%～85%之间；力值示值误差不应大于1%；应配备一副自动调心的试样夹持器，使力线与试样中心线保持一致；应保证试样夹持器的移动速度保持稳定。量具：其精度不低于0.02 mm。夹具：固化专用夹具。

2.2 搭接试样材料优化

参照胶黏剂学科相关技术及评价标准[15-16]，使用金属试样作为搭接试样，测试了不同类型的防塌剂对金属搭接试样的搭接抗剪强度，测试结果如下表1 所示。

表1 不同类型防塌剂对金属试样的搭接抗剪强度测试结果

由表1 可知，同氰基丙烯酸乙酯胶黏剂（502胶水）相比，不同类型的防塌剂对金属搭接试样的搭接抗剪强度较低，其界面胶结强度较弱。这是由于金属搭接试样适用于胶黏剂领域，而在实际钻井过程中，防塌剂作用于井壁围岩起到稳定井壁的作用，因此，使用金属搭接试样评价防塌剂的“胶结、固化”效果具有一定的局限性。考虑防塌剂的作用对象和实际钻井过程中的环境条件，将该评价方法中的搭接试样优化为人造岩心，切割、打磨成片，代替金属片试样，从而模拟不同类型的防塌剂作用于地层岩石的条件下进行搭接抗剪强度测试，测试结果如表2 所示。由表2 可知，将搭接试样材料变为岩心后，除FA367 外，其他不同类型的防塌剂的搭接抗剪强度明显提高，表明对搭接试样材料进行优化后，该评价方法对防塌剂的针对性有所增强；但同时也发现，不同类型的防塌剂的搭接抗剪强度相差不大，表明该评价方法还不能完全体现化学胶结类防塌剂的胶结固化特性，因此该评价方法还需进一步优化。

2.3 测试介质优化

由于化学胶结类防塌剂具有强吸附、胶结岩石颗粒的特性，且其工作环境为钻井液体系中，化学胶结类的防塌剂应具备较好的水下界面胶黏效果，因此考虑将测试介质由空气中优化为水中，以模拟化学胶结防塌剂的工作环境。将岩心搭接试样制备完成后，将其放置于水中养护一定时间，取出后测试其水中搭接抗剪强度，测试结果如表3 所示。

表2 不同类型防塌剂对岩心搭接试样的搭接抗剪强度测试结果

表3 水中搭接抗剪强度测试结果

由表3 可知，不同类型的防塌剂中，化学胶结类防塌剂的水中搭接抗剪强度与空气中搭接抗剪强度相近，表明其在空气和水介质中均能有效胶结岩心搭接试样；当测试介质从空气变为水后，聚合醇、乳化沥青的水中搭接抗剪强度降为零，硅酸钠、腐植酸铝的水中搭接强度降低了70%以上，表明测试介质的变化对不同类型防塌剂的界面胶结效果影响较大，利用该特点可有效评价不同类型防塌剂在水中的界面胶结强度。

2.4 搭接试样制样方式优化

由于该评价方法参照胶黏剂学科相关技术及评价标准[15-16]，多用于评价具有明显胶黏效果的胶黏剂（如502 胶水、AB 胶等），其搭接试样的搭接面积、制样条件及养护条件对其界面胶结强度影响较小；化学胶结类防塌剂作为钻井液处理剂的一种，其作用方式和作用特点与日常胶黏剂相差较大，因此为保证该评价方法的平行性和可靠性，需进一步优化试样的制样方式。

2.4.1 搭接面积优化

原胶黏剂学科相关技术及评价标准中[15-16]，搭接试样的搭接面积仅为试样总面积的12.5%（如图1（a）所示），为了减小实验偶然性，将试样的搭接面积优化增加至试样总面积的75%（如图1（b）所示）。

图1 搭接试样改进前后示意图

2.4.2 制样条件优化

经过大量实验摸索探究，最终优化出了试样的制样条件：将岩石薄片切割成25 mm×100 mm×2 mm 的试样片，采用砂纸打磨岩心搭接试样，保证表面平整，表面粗糙度Ra范围应为0.1～0.4 μm，无弯曲、翘曲、歪斜等变形，无毛刺，边缘保证直角。

3 化学胶结类防塌剂固壁性能评价方法测试步骤

1）将制备好的搭接试样表面采用无水乙醇和5%过氧化氢溶液擦拭干净，并置于鼓风干燥箱中在105 ℃干燥至恒重。

2）将配制好的待测液体均匀涂抹在搭接试样的搭接区域，然后将两薄片轻轻覆盖，置于50 ℃、3 MPa 下压制2 h 后，擦去多余待测液，用量具测量试样搭接面的长度和宽度，精确至0.05 mm。

3）将搭接试样置于50 ℃恒温水浴锅中，养护24 h 后，将试样对称地夹在试验机上下夹持器中，夹持处至搭接端的距离为50 mm。

4）开动试验机，在5 mm/min 内，以稳定速度加载，记录试样剪切破坏的最大负荷。

样品对岩心试样的搭接抗剪强度按式（1）计算[17]，试样品数量不少于5 个，结果以剪切强度的算数平均值表示。取3 位有效数字。

式中：τ为化学胶结防塌剂拉伸剪切强度，MPa；P为试样剪切破坏的最大负荷，N；B为试样搭接面宽度，mm；L为试样搭接面长度，mm。

4 室内实验测试及数据分析

为了考察该评价方法的平行性和可靠性，在对搭接面积、制样条件及养护条件等进行优化前后，分别测试了浓度为10%的化学胶结类防塌剂SLGB 溶液和腐植酸铝溶液在空气中和水中对岩心试样的搭接抗剪强度，结果如表4 和表5 所示。

表4 化学胶结类防塌剂SLGB 搭接抗剪强度平行性测试

表5 腐植酸铝搭接抗剪强度平行性测试

由表4 和表5 可以看出，优化前测试的空气中搭接抗剪强度相对极差约为20%，水中搭接抗剪强度相对极差约为13%～15%，表明优化前该评价方法测试结果误差较大，实验的重复性和可靠性较差；优化后的搭接抗剪强度相对误差明显减小，空气中搭接抗剪强度相对极差约为10%，水中搭接抗剪强度相对极差均小于10%，表明该评价方法经过一系列优化后具有较好的平行性和可靠性，实验数据能够客观地反映化学胶结类防塌剂的界面胶结和防塌效果，同时保证了该评价方法的针对性和平行性。

5 结论与建议

1.针对化学胶结防塌剂独特的“主动加固”和“胶结、固化”的作用特性和防塌机理，结合胶黏剂学科相关技术及评价标准，使用搭接抗剪强度参数测试评价化学胶结类防塌剂作用于界面之间的胶结强度，建立了一套评价化学胶结类防塌剂防塌效果的新型评价方法。

2.通过对该评价方法的搭接试样材料、搭接面积、制样条件、养护条件以及测试介质进行了一系列优化改进，室内实验测试及测试结果表明经过优化改进，减小了测试结果的误差，从而保证了该评价方法的平行性、可靠性和科学性。

3.该评价方法只能在一定程度上反应化学胶结类防塌剂某方面的胶黏性能，在实际钻井过程中，无法保证井下金属、岩石之间有较为强烈、恒定的压力接触，也无法全面表现出钻井液处理剂的作用方式，因此对于系统地评价钻井液处理剂的防塌作用效果仍然具有一定的局限性，需要对该评价方法做进一步的优化改进，为科学评价化学胶结类防塌剂的防塌效果提供指导和依据。